Fabrication Techniques for Light Trapping and Capturing Textures in Crystalline Silicon Solar Cells

Öz

Güneş pilinin performans/maliyet oranını arttırmak için, ışığın emilimi ve yük taşıyıcıların toplanması sırasında optik ve elektrik kayıplarını azaltan yeni yaklaşımlar gereklidir. Bu çalışmada silikon yüzeyinin daha iyi bir ışık yönetimine yönelik çeşitli şekillere odaklandık. Bir güneş pilinin verimliliği, gelen ışık ışını ve cihazın yüzeyi arasındaki etkileşimin özelliklerine oldukça bağlıdır. Güneş hücresinin ışık emilimini ve verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için çeşitli ışık tutucu şemalar önerilmiştir. Çeşitli periyodik mikro ve nano yüzey dokuları oluşturmak için optik litografi, nanoimprint litografi (NIL), delik maskesi kolloidal litografi (HCL) gibi farklı litografi teknikleri uyguladık. Önceden tanımlanmış desen transfer işlemi aşamalarından sonar, kuru plazma aşındırma veya ıslak kimyasal aşındırma teknikleri uygulanmıştır. Çap, periyot, derinlik gibi yapısal özellikleri değiştirilmiş ve optimize edilmiştir. Çeşitli desenleme ve aşındırma işlem türleri ile çalışmanın sonunda, periyodik ve rastgele-tanıtılmış-periyodik desenler, güneş pili üretim aşamasında başarıyla uygulanmıştır. Üretilen güneş pillerinin performansları hem optic hem de elektriksel olarak incelenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• solar cells,surface texturing,light trapping,micro electro mechanical systems

Fabrication Techniques for Light Trapping and Capturing Textures in Crystalline Silicon Solar Cells

Öz

In order to increase the performance/cost ratio of solar cells, new approaches reducing optical and electrical losses are necessary during the absorption of the light and collection of charge carriers. In this work we focused on various textures on silicon surface towards a better light management of the cell surface. The efficiency of a solar cell strongly depends on the properties of the interaction between the incoming light beam and the surface of the device. In order to maximize the absorption and the efficiency of the cell, various light trapping schemes have been proposed. We have applied different lithography techniques such as optical lithography, nanoimprint lithography (NIL), hole mask colloidal lithography (HCL) to generate various periodic micro and nano surface textures. After predefined pattern transfer process steps, either dry plasma etching or wet chemical etching techniques were applied. Structural properties of the features like diameter, pitch size, depth were varied and optimized. With a variety of texturing and etching process types, at the end of the study, periodic and random-introduced-periodic patterns were successfully implemented to solar cell fabrication step. The performances of the solar cells were investigated both optically and electrically.

Anahtar Kelimeler

• solar cells,surface texturing,light trapping,micro electro mechanical systems

Kaynakça

1. Dimitrov D. Z., Du C. H. (2013) Crystalline silicon solar cells with micro/nano texture”. Appl. Surf. Sci., vol. 266, no. January, 1–4.
2. Shin J. C., Chanda D., Chern W., Yu K. J., Rogers A., Li X. (2012) Experimental study of design parameters in silicon micropillar array solar cells produced by soft lithography and metal-assisted chemical etching. IEEE J. Photovoltaics, vol. 2, no. 2. 129–133.
3. Yeo C. I., Jang S. J., Kwon J. H., Lee Y.T. (2012) Design of submicrometer hole structure for absorption enhancement in thin film crystalline Si solar cells, EUPVSEC. 2425-2427.
4. Menezes J. W., Ferreira J., Santos M. J. L., Cescato L., Brolo A. G. (2010)
5. Han S. E., Chen G. (2010) Optical absorption enhancement in silicon nanohole arrays for solar photovoltaics,” Nano Lett., vol. 10, no. 3. 1012–1015
6. Adams T. M., Layton R. A. (2010) Introductory MEMS: Fabrication and applications. Springer.Battaglia C. Et al. (2011)
7. Chou S. Y., Krauss P. R., Renstrom P. J. (1996) Nanoimprint lithography,” J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanom. Struct., vol. 14, no. 6. 4129.
8. Schift H., Kristensen A. (2010) Nanoimprint Lithography–Patterning of Resists Using Molding,” Springer Handb. Nanotechnol., 271–312.

9. Du Q. G., Kam C. H., Demir H. V., Yu H. Y., Sun X. W. (2011) “Enhanced optical absorption in nanopatterned silicon thin films with a nano-cone-hole structure for photovoltaic applications,” Opt. Lett., vol. 36, no. 9. 1713.
10. Trompoukis C. (2012) Enhanced absorption in thin crystalline silicon films for solar cells by nanoimprint lithography,” Proc. SPIE, vol. 8438. 84380R.
11. Trompoukis C. (2015) Photonic nanostructures for advanced light trapping in thin crystalline silicon solar cells,” Phys. Status Solidi, vol. 212, no. 1. 140–155.
12. Large-area fabrication of periodic arrays of nanoholes in metal films and their application in biosensing and plasmonic-enhanced photovoltaics. Adv. Funct. Mater., vol. 20, no. 22. 3918–3924
13. Nanoimprint Lithography for High-Efficiency Thin-Film Silicon Solar Cells,” Nano Lett., vol. 11. 661–665